基于Butler矩阵的毫米波多波束阵列天线研究
随着通信系统的快速发展，用户对通信速率提出了越来越高的要求。在高楼林立的城区，低方向性的天线很难提供足够的信号强度保证高质量的语音通话和数据传输。多波束阵列天线能使波束精确地指向特定角度、覆盖特定区域，大大提高该区域内移动终端的信号强度，从而有效提高通话质量和数据传输速率的问题。通常情况下，多波束阵列天线由馈电网络和天线阵列两部分组成。Butler矩阵作为最常见的馈电网络，是近年来的研究热点。但它在结构上的创新很少，限制了输出信号的相位差范围。发现很少有多波束阵列天线能够在边射方向产生辐射波束。因此，对无源多波束天线馈电网络开展了进一步的研究，以求获得更多类型的扫描波束。毫米波通信符合未来移动通信的发展趋势，毫米波多波束阵列天线将在其中发挥不可替代的作用。本文的三个设计实例均工作在 28 GHz 附近。目前，毫米波多波束天线通常采用基片集成波导（SIW）技术实现。它能够降低整个馈电网络的剖面高度，并且能提供较低的传输插入损耗。基于以上的文献调研和分析，本文设计了几种具有新型拓扑结构的Butler矩阵，并将其应用至多波束阵列中，实现了几种具有边向辐射波束的扫描阵列。 （一）本文设计了一款基于 5 × 8 Butler 矩阵的毫米波多波束阵列天线。该 5 × 8 Butler矩阵由两个3×4 Butler矩阵通过两个耦合器和一个功率分配器扩展而来，能够在相邻输出端口之间产生等幅输出的信号以及 0°、±45°、±135°五种相位差。为了减少矩阵中的交叉耦合器和结构中的复杂度，采用一种双层对称SIW结构设计该矩阵。为了验证所提出的想法，设计并制造了一个多波束阵列天线的样机，该样机能够在 27.8-30.8 GHz的工作频带内实现一个边射波束和四个倾斜波束。 （二）本文设计了一款基于7×8Butler矩阵毫米波多波束阵列天线。通过利用耦合器中同相和反相功率合成模式，该矩阵能够输出等幅度的信号以及 0°、±45°、±90°、±135°相位差。接着，设计并制作了一个以 7 × 8 Butler 矩阵作为馈电网络的八单元槽阵列天线，该阵列能够在26.5-29.5GHz 工作频带内提供一个边射波束和六个倾斜波束。此外，这些波束可以在±55°的范围内实现连续的波束扫描。 （三）通常一维扫描多波束阵列通常只能在一个方向上实现波束扫描，在一些特定的场合中不满足用户需求。与之相比，二维扫描多波束阵列具有更好的扫描覆盖效果，能够很好的解决这个问题。本文设计了一款基于9 × 16 Butler矩阵二维扫描毫米波多波束阵列天线。该9 × 16 Butler矩阵是基于二维Butler矩阵的设计理念实现的，能够产生等功率分配的输出信号，在每个方向上的输出端口间相位差为0°和±90°。在该Butler矩阵的输出端口级联一个4 × 4 的平面缝隙阵列，构成的二维扫描多波束阵列天线。该二维多波束阵列天线工作在 26.5-29.5 GHz 的毫米波段，能够产生一个边射波束和八个倾斜波束。
毫米波多波束阵列天线;Butler矩阵;拓扑结构;波束扫描
华南理工大学
硕士
电磁场与微波技术
陈付昌
2022
中文
TN822.4
2022-12-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）